Читать книгу: «Псевдогиперболоид 2-го порядка – универсальная платформа управления волнами», страница 4

6. Псевдогиперболоидная волновая платформа для генерации, детектирования и развёртки волн от инфразвука до ультразвука

Звуковые волны охватывают широкий диапазон частот – от инфразвука (менее 20 Гц) до ультразвука (свыше 20 кГц). Эффективное фокусирование, излучение, приём и пространственное управление звуковыми волнами требует громоздких линз, фазированных решёток или подвижных зеркал. Предлагается псевдогиперболоидная геометрия в качестве универсальной геометрической платформы, позволяющей пассивно управлять звуковыми волнами – как инфра-, так и ультразвуковыми – за счёт уникальных отражающих и фокусирующих свойств её формы.

Геометрия

В акустике ключевым фактором является соответствие размеров устройства длине звуковой волны:

– λ (длина волны) в воздухе = v / f ≈ 340 м/с / f

– Инфразвук (0,1–20 Гц): длина волны 17 м – 3 км .

– Акустика (20 Гц – 20 кГц): λ = 17 м – 1,7 см.

– Ультразвук (>20 кГц): λ < 1,7 см.

Несмотря на это, псевдогиперболоид может быть вполне эффективно применён и для акустических волн – в акустике, ультразвуке и даже гидродинамике. Рассмотрим подробно, как и почему.

Геометрическая аксиома: волны отражаются одинаково

Согласно принципу геометрической (лучевой) акустики, поведение звуковых или ультразвуковых волн при отражении от границ (если размеры объекта ≫ длины волны) аналогично оптике:

– закон отражения: угол падения = угол отражения,

– волновые фронты отражаются, фокусируются так же, как и световые.

Это означает: если размеры псевдогиперболоидной структуры сопоставимы или превышают длину волны звука, то она эффективно будет направлять, фокусировать и сводить волны вдоль своей оси.

Работа со звуком

В режиме приёма (акустическая «линза» для микрофона) звуковые волны, падающие на вогнутые стенки псевдогиперболоида (например, диаметр 50–100 см), отражаются и фокусируются вдоль цилиндрической фокусной плоскости. В цилиндрической области фокусов устанавливаются микрофоны или ультразвуковые датчики. Получается направленный приёмник усиливается сигнал из конкретного направления и подавляются боковые и обратные сигналы.

В режиме излучения (динамик, источник звука) источники звука (динамики, пьезо-излучатели) устанавливаются по периметру фокуса. Отражения от стенки формируют узкий пучок звука – в отличие от обычных динамиков, звучание направленное и дальнобойное.

Примеры использования

– Псевдогиперболоид из алюминия или пластика с пьезоизлучателем в фокусе создаёт узконаправленный ультразвуковой луч для медицинской визуализации, терапевтической фокусировки (например, разрушение камней), ультразвукового удаления загрязнений, кавитационной очистки.

– Акустическая приёмная система (направленный микрофон). Использование в звукозаписи, пеленгации шумов, наблюдении животных и других приложениях, где важно фильтровать звуки с одного направления. Микрофоны ловят звук, отражённый от всей поверхности.

– Направленный громкоговоритель. Динамик внутри псевдогиперболоида излучает звук фронтом, который сужается в луч – создавая акустическую «точку» в пространстве. Применимо в театрах, музеях, рекламных киосках (звук слышен точно в зоне, а рядом – почти нет).

– Акустическая пеленгация. Разместив по периметру псевдогиперболоида несколько микрофонов, можно точно определить направление прихода звука (акустический локатор).

– Гидроакустика (подводные приложения). В воде звуковые длины волн меньше, плотность среды выше – поэтому компактная псевдогиперболоидная конструкция отлично работает как гидроакустический направленный приёмник или сонар.

Важное ограничение: размеры должны быть соразмерны λ

Если диаметр псевдогиперболоидного устройства (или глубина полости) много меньше длины волны звука эффекты фокусировки исчезают из-за дифракционного размытия. Направленность исчезает, пучок не формируется, волна будет просто распространяться объёмно.

Поэтому на средних частотах (до 1 кГц) нужны габаритные конструкции (>1 м). Это подходит для стационарных применений. В ультразвуке (20–200 кГц и выше) длина волны миллиметровая. Можно строить компактные эффективные резонаторы и направленные излучатели размером в десятки миллиметров.

Вывод

Псевдогиперболоид прекрасно подходит для работы со звуковыми волнами, но при соблюдении условия масштаба. Эффективность фокусировки и направленного излучения возникает, только если размеры структуры кратно превышают длину волны. Отлично работает в ультразвуке (частоты выше 20 кГц), где длины волн малы. Можно создавать портативные и компактные акустические устройства. В звуковом (низкочастотном) диапазоне тоже применим, но требует крупных форматов – например, как направленный микрофонный купол или сверхнаправленный громкоговоритель.

Таким образом, псевдогиперболоид можно эффективно использовать в акустике и ультразвуке – как фокусировщик, направленный передатчик, приёмник или пеленгатор.

7. Газодинамический псевдогиперболоидный лазер на встречных волнах

О газодинамических лазерах

Для лазерной генерации известны два метода получения инверсной населенности.

Первый метод получения инверсной населенности.

Первый метод реализован в существующих газодинамических лазерах. Существующие газодинамические лазеры на колебательно-вращательных переходах в молекулах газа осуществляют излучение в основном в ближней и средней инфракрасной области спектра. В них газовая смесь с давлением 15 атмосфер и температурой 1500 градусов расширяется через сопло. Истечение из сопла адиабатическое. На выходе температура газа резко падает. Таким образом после зоны расширения за соплом будет достаточно широкая область с инверсией населённости.

Второй метод получения инверсной населенности.

Второй метод, как быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т> Т1 предлагается реализовать в заявленном лазере на встречных детонационных волнах.

Метод основан на встречном “сжатии” двух и более волн детонационного горения газоовоздушной смеси в общем центре.

Генерация лазерного излучения по второму методу.

Рассмотрим принципиально новый резонатор на основе новой геометрической фигуры 2-го порядка с переменной отрицательной кривизной – псевдогиперболоиде.

Псевдогиперболоидом 2-го порядка можно назвать разомкнутую объёмную полость с переменной отрицательной кривизной, которая образована вращением усеченной гиперболы вокруг оси F, параллельной оси фокусов F1F2 гиперболы и смещенной от нее на R.

Рассмотрим образующую в виде усеченной гипербол, описываемую уравнением:

где a = b = 1.

При осевом вращении образующей относительно оси симметрии F, получается поверхность вращения с вогнутыми стенками (отрицательная кривизна), потенциально способная фокусировать и волновую энергию в цилиндрической оси фокусов F1F2.

Рис. № 68. Разомкнутая образующая в виде

двух усеченных симметричных гипербол.

Ход лучей внутри песвогиперболлоида

А) Лучи, направленные в фокусы

В идеальных условиях, согласно фокальному свойству гиперболы – луч, направленный на один из фокусов (F2), отражается на второй фокус (F1). Если продолжить этот луч дальше, то можно заметить, что он последовательно направляется к обоим фокусам. И в пределе, когда ветви гиперболы становятся прямыми (по оси фокусов F1-F2) – попадает в ловушку. Произойдет концентрация лучей по оси фокусов гиперболы F1-F2 в идеальных условиях.

Рис. № 69. Распространение лучей, направленных в фокус псевдогиперболоида.

В) Спиралевидное/гелиоидное сближение с осевой областью

Внеграничные лучи, попадающие на стенки под углом, в большинстве случаев будут многократно отражаться, “обтекая” ось резонатора спиралью. Это распространено во многих волноводных или резонаторных системах. Отражения постепенно приближают траекторию луча к цилиндрической оси фокусов.

Механизм можно сравнить с оптической воронкой – структура, втягивающая световые лучи к своей оси. Только в данном случае фокус существует не как точка, а как цилиндрическая область, к которой стремятся лучи.

Для использования в качестве резонатора в нём необходимо предусмотреть выходную апертуру в месте сосредоточения ЭМ энергии.

Для этого изменим немного трактрису. Возьмём усечение одной ветви гиперболы со стороны выхода ниже оси фокусов, равном длина волны/2. Например, для ИК 5-50 мкм

Рис. № 70. Выходная апертура псевдогиперболоидного источника ЭМ излучения.

В этом случае будет происходить не только концентрация лучей к диаметральной оси фокусов гиперболы, но и узко направленное цилиндрическое распространение по оси фокусов в одном направлении потока с толщиной “стенки” излучения, равной длине волны.

Схема

Реализация лазера представлена на следующем рисунке

Рис. № 71. Псевдогиперболоидный газодинамический лазер с встречным сжатием волн детонационного горения

Два источника волн детонационного горения, генерируя ударные волны со скоростями порядка 2000–3000 м/с и температурами выше 2000 C, создают условия для интенсивного возбуждения молекулярных уровней газа.

При встрече этих волн в объёме, ограниченном псевдогиперболоидным (или иным фокусирующим) резонатором, происходит резкое повышение давления и локальная компрессия газа, сопровождаемая дополнительным нагревом, который может превышать 3000 градусов

Такие резкие изменения температур вызывают инверсию населённостей на колебательно-вращательных уровнях молекул (например, CO, CO2, N2O, HCl и др.). Это создаёт условия для вынужденного излучения – основы лазерной генерации, поскольку переходы происходят между колебательно-вращательными уровнями, длины волн излучения попадают в ближний (около 1–3 мкм) и средний (от 3 до 8 мкм) инфракрасный диапазон спектра.

Таким образом, описанный процесс – это реализация без электродного лазера, где энергетическая накачка осуществляется исключительно за счёт газодинамических процессов, без участия электрических разрядов или оптической накачки.

Заключение

Использование волн детонационного горения в конфигурации с встречным сжатием внутри псевдогиперболоидного резонатора позволяет эффективно формировать инверсию населённостей молекулярных уровней без применения традиционных методов накачки. Такой подход обеспечивает сверхбыстрый нагрев газа до температур, достаточных для возбуждения колебательно-вращательных переходов, что приводит к генерации когерентного излучения в ближней и средней инфракрасной области спектра. Полученный лазерный выход может быть использован в различных приложениях – от дистанционного зондирования и спектроскопии до оборонных и промышленных технологий. Этот метод представляет собой перспективное направление в области разработки высокоэнергетических газодинамических ИК-лазеров.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]